新能源风力发电及其功率控制探讨

新能源风力发电及其功率控制探讨

沈丰

中机国际工程设计研究院有限公司  湖南长沙 410007

摘要：风力发电是新兴发电方式的一种，发电过程绿色经济，符合我国绿色发展战略。伴随全球各项资源的紧缺形势，新能源开发与利用得到广泛关注。风力发电技术在这一背景下应运而生。目前风力发电的主流是变速恒频风力发电机，变速恒频直驱永磁同步发电机系统具有稳定性优势。使用直驱永磁发电机系统同时也提高了整体系统的可靠性，满足低压穿越要求。风力发电在我国的应用规模也日益扩张，占整体发电规模近百分之四十。因此进一步研究风力发电技术以及功率控制策略，对于我国当前能源危机问题有显著意义。基于此，本文从新能源风力发电简述展开分析，探究了相关优势以及主要技术，提出概率控制策略以供参考。

关键词：新能源；风力发电；功率控制；讨论

引言：

新能源风力发电经过长时间的发展，已逐步趋于完善。所以在发电领域应高度重视风力发电技术的应用，利用可再生资源满足生产生活对电能的需求。风力发电因它具有清洁环保、运维成本低等优势被广泛运用，新增装机大幅上升，发电技术水平也不断提升。伴随着碳达峰碳中和总体目标及其规划新能源消纳体系明确提出，风力发电企业迎来里程碑式的发展契机，将充分发挥中坚力量，扮演未来新能源系统中的重要角色。这对于国家来讲，不论是减轻能源问题或是维护原生态环境都有着实际意义。

一、新能源风力发电简述

新能源风力发电指通过风力发电机将风能转化成电能的技术。风力发电过程是由机械动能将风能转化成电能的一个过程。这一过程由叶轮完成，根据风力发电机以及自动控制系统控制实现。风力发电机由多个构件构组成，一般包含叶片、轮圈、发电机、主轴轴承、变桨设备、自动控制系统以及塔架等（如图1）。具体来讲，叶轮设备是把风能转化成机械动能的装置。风能推动叶片转动，进而产生机械能。为了能充足利用风能，还可以在叶轮后边安装一个方向标尾舵来分析风频。依据风频变化可以调节叶轮方向，使叶轮在风向上运作，充分保证叶轮最大功率机械动能。塔架是支撑点叶轮、尾舵和发电机设备的架构。塔的相对高度应该根据路面阻碍物对风力的影响以及叶片的孔径来决定，以确保塔的高度能够满足叶轮设备的运转标准。发电机则是将恒定机械能转换为电能的装置，发电效率较高。只有在各部位融洽运作的状况下，才能保证风力发电保持较高效率。

图1

二、新能源风力发电优势

风力发电在近些年来已经取得迅猛发展，全世界风电装机容量己达四千亿MW。风力发电技术能被普及推广推广与它的作用是分不开的。风力发电操作步骤简便，并且建设占地面积小。风能资源储量丰富，如加强对风能的开发与利用，未来有可能会替代火力发电，并能满足大多数对用电需求大的大国。同时，风能是可再生能源，风力发电有足够的能源支持。现阶段，地球上的可利用的不可再生能源如煤碳、原油等日益减少，若干年后便会匮乏，但风能则可无尽利用。其次，风力发电环保效益高。发电过程不产生二氧化碳等气体，减少世界二氧化碳排放量，有益于全世界生态环境的维护。同时，我国大力发展风力发电技术。从宏观经济政策方面减少煤炭能源用量，缓解了资源困境[1]。最后，风力发电低投资收益快。成本低廉可靠性高，一村便可修建小型风力发电装置。倘若有大型风力发电场需要建设，可国家实行、团体或个体企业承担修建责任合伙完成，几年内就可以收回投资成本。此外，风力发电项目工程施工周期短，装机规模灵活简便，在风能充沛的地区能用有限的时间创建风力发电基础设施建设，能用最短的时间将风能转化成所需电能，组装一台就能建成投产一台。风力发电的特征总结来说便是电力能源充裕，使用方便，成本费用低且零污染。为了进一步优化风力发电规模，减少投入设备的浪费情况，领域专业人员已经加大了风力发电机组的容量研究，单机容量已经向着5MW以上发展。但是国际容量远远高于我国，因此从研究表明未来的风力发电机组将会向20MW以上发展。

三、风力发电技术研究

目前风力发电具有两种运行方式，分别是独立运行的离网运行电和接入电力系统并网运行。离网型风力发电规模较小，与其他技术结合可为偏远地区供电。并网风力发电发电容量较大，通常为几兆瓦到几百兆瓦，可以得到大电网的补偿和支撑，可使风资源的利用更加充分。因此风力发电并网技术是一项主流技术。并网技术主要是以分布式系统连接技术和集中化连接技术为主导。分布式系统连接技术更适宜运用在一些经营规模比较小的风力发电场中，在10kV或者35kV的电力网中运用效果最佳。这种电网建设时存在一定的渗透性，选用分布式发电方式连接电网系统，每一个开关电源点容积比较小，可以确保电力网平稳运转。集中化连接技术在一些规模庞大及远距离传送电力工程的风电中较为适用。经过变电器变换将电压升高，凭借电力线路把它传至终端设备[2]。选用集中连接技术，能够实现大中型风力发电场或者多个风力发电场电能集中化运输。

在具体新能源风力发电中，合理运用无功补偿及谐波电流清除技术具备重要价值，是保证发电系统平稳运转的关键。该技术在实际应用中，受相对应器件影响能够及早发现系统内具体的无功功率耗费状况，运转电压也根植于全部磁感应过程。假如电压非常高，磁感应器的电流量会给元器件造成影响。因而，科学地选用无功补偿技术可以有效的整治谐波电流。除串联谐振试验技术的实践应用外，全部风力发电环节中都会发生谐波电流问题。如果出现了谐波电流问题，将导致电能质量分析差

[3]。因而，选用消谐技术，选用输出功率逆变电路以及相关机器设备来高效地清除谐波电流很有必要。最后及时纠正电容器组，可以有效提升无功功率，控制谐波电流产生的影响，确保风力发电的总体技术进一步提高。

四、新能源风力发电功率控制对策

（一）发电机变桨距控制方法

风力发电发电机组在使用在结构上依据风轮叶片和轮圈可分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机。定桨距风力发电机将叶片固定在轮圈上，操作过程中浆叶一般不会变动。变桨距风力发电机在日常运作时，需要处理风速变化，调节输出功率和风力发电机设备制动系统。主要表现在变桨距风力发电设备在叶片和轮圈中间选用非刚性联接方法，那样叶片就能在运转过程根据节径的变化角度，以此控制输出功率[4]。同时，在风速太大超过风力发电机设备切出风速力时，会自动停止运行，浆叶在风力发电机停止运行时维护发电机使其不受损害。

（二）风速控制方法          

调速方式在切入风速与额定风速发生变化的情况下，能追踪最佳功率曲线获取最大功率。（1000w风力发电机输出功率曲线技术参数如表1）风速操纵的实际步骤首先需在风力发电机组并网时，复位整体系统，并把桨距角β初值设为0，判断此时的风速。接着，分辨风速与切入风速标值，若风速大于等于切入风速，则风电发电机开始运作。在进入风速与额定值风速间的风速变化前提下，明确选用调速操纵的形式进行，可以结合转速比数据信号与驱动器数据信号，经减速箱对发电机转速控制，和发电机转速给定值进行对比，从而形成一个适合于跟踪功率曲线变动的闭环反馈全自动控制系统。完成对风力系数统计，获取最大功率。

表1

（三）偏航控制方法

利用风速矢量方向变动调节风力发电发动机舱方位，从而使风力发电发动机舱能够迅速指向风频，获得最大的风能对风设备，称之为偏航控制系统。该系统的作用完成是由风轮推动风力发电发动机舱的偏向传动齿轮进行工作，当与风频完成指向后终止风轮装运，完成对风动作。偏航控制系统的构造涵盖滚动轴承、驱动设备及其控制设备，而控制设备也是由风向传感器、偏航控制板及其解缆传感器组成[5]。现阶段比较完善的控制系统分成主动和被动式两类。从技术的可行性分析分，小型发电机组一般会使用被动式，而大型发电机组则选用主动型，这是因为风向仪的专业技术精密度所决定的。偏航控制系统是风力发电机控制系统关键部分。一般由偏航滚动轴承、偏航制动系统、偏航驱动机构、偏航基数器、偏航液压回路及其扭缆维护等组成，让风轮一直处于迎风状态，提高发电效率确保发电机组运行时安全稳定。

五、结语

时代发展过程科学技术也会日益先进，风力发电技术进步范畴也会随之扩张。因此，风力发电行业须对发电技术进一步升级，健全管理制度不断改革创新。综合而言，风电力能源与传统能源对比，具备开发费用低、环境保护效益明显、安全性高及其可再生等优点，因而得到了能源领域的高度关注，被作为主要的新能源去开发利用。风力发电用风速来推动机械设备产生满足社会生产的电量，在发电量过程会受到机械系统限制，因此探究控制功率的策略势在必行。

参考文献 

[1]杨磊. 浅谈新能源风力发电及其功率控制[J]. 科学与信息化, 2021, 000(007):94,97.

[2]艾美雕. 风电场功率预测预报问题分析及其管理[J]. 轻松学电脑, 2021, 000(004):P.1-1.

[3][1]7):5.

[4]盛四清, 金航, 刘长荣. 基于VMD-WSGRU的风电场发电功率中短期及短期预测[J]. 电网技术, 2022(003):046.

[5]王丹, 高红燕, 杨艳超,等. 风电场风速规律分析及风电功率预报方法研究[J]. 干旱区地理, 2020, 43(5):9.